WO2014010398A1 - 燃料電池用電解質膜の把持装置 - Google Patents

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圭 小野
哲史 堀部
将也 山本
剣一 豊島
貴行 寺崎
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日産自動車株式会社
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell electrolyte membrane gripping device.
  • a membrane electrode assembly (MEA) included in a single cell of a fuel cell has an electrolyte membrane, a catalyst layer, a gas diffusion layer, and a frame-shaped gasket.
  • the gasket is disposed (laminated) on both surfaces of the electrolyte membrane and is positioned so as to surround the catalyst layer, and has a function of preventing fuel gas and oxidant gas supplied to the catalyst layer from leaking to the outside. .
  • the present invention has been made in order to solve the problems associated with the above-described conventional technology, and an object thereof is to provide a fuel cell electrolyte membrane gripping device capable of exhibiting good production efficiency.
  • the present invention is a fuel cell electrolyte membrane gripping device including a support body having a flat portion for supporting an electrolyte membrane on which a catalyst layer is arranged, which constitutes a membrane electrode assembly.
  • the planar portion has a frame-like groove portion that is aligned outside the outer peripheral edge of the catalyst layer, the groove portion is connected to an air suction portion, and the air in the groove portion is sucked to thereby Adsorb electrolyte membrane.
  • the electrolyte membrane is adsorbed by the groove portion arranged in the flat portion of the support, wrinkles are prevented from occurring in the electrolyte membrane. Furthermore, since the groove is frame-shaped and aligned outside the outer peripheral edge of the catalyst layer, the catalyst layer is not directly sucked, the occurrence of clogging is suppressed, and the reduction in production efficiency is suppressed. I can do it. Therefore, it is possible to provide a fuel cell electrolyte membrane gripping device capable of exhibiting good production efficiency.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a cell structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows gaskets arranged on both surfaces of the outer peripheral portion of the membrane electrode assembly shown in FIG. It is a top view for doing.
  • the unit cell 10 is applied to, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using hydrogen as a fuel, and includes a membrane electrode assembly 20 and separators 50 and 55.
  • PEFC polymer electrolyte fuel cell
  • the unit cell 10 further includes a cooling plate 58, and a groove 59 provided in the cooling plate 58 forms a refrigerant flow path through which a refrigerant for cooling the unit cell 10 flows.
  • the membrane electrode assembly 20 includes a polymer electrolyte membrane 30, catalyst layers 32 and 33, gas diffusion layers (GDLs) 35 and 36, and gaskets 40 and 45.
  • GDLs gas diffusion layers
  • the catalyst layer 32 is an anode catalyst layer that includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and a polymer electrolyte, and in which a hydrogen oxidation reaction proceeds. It is arranged on the side.
  • the catalyst layer 33 is a cathode catalyst layer that includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and a polymer electrolyte, and in which the oxygen reduction reaction proceeds. It is arranged on the side.
  • the polymer electrolyte membrane 30 has a function of selectively permeating protons generated in the catalyst layer 32 to the catalyst layer 33 and does not mix the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side. It functions as a partition wall.
  • the gas diffusion layer 35 is an anode gas diffusion layer for dispersing the fuel gas supplied to the anode side, and is located between the separator 50 and the catalyst layer 32.
  • the gas diffusion layer 36 is a cathode gas diffusion layer for dispersing the oxidant gas supplied to the cathode side, and is located between the separator 55 and the catalyst layer 33.
  • the gaskets 40 and 45 have a frame shape and are arranged on both surfaces of the outer peripheral portion of the polymer electrolyte membrane 30.
  • the gasket 40 is positioned so as to surround the catalyst layer 32 and has a function of preventing the fuel gas supplied to the catalyst layer 32 from leaking to the outside.
  • the gasket 45 is positioned so as to surround the catalyst layer 33 and has a function of preventing the oxidant gas supplied to the catalyst layer 33 from leaking to the outside.
  • the separators 50 and 55 have a function of electrically connecting the single cells 10 in series and a function of a partition that blocks fuel gas, oxidant gas, and refrigerant from each other, and have substantially the same shape as the membrane electrode assembly 20.
  • it is formed by pressing a stainless steel plate.
  • the stainless steel plate is preferable in that it can be easily subjected to complicated machining and has good conductivity, and can be coated with a corrosion-resistant coating as necessary.
  • the separator 50 is an anode separator disposed on the anode side of the membrane electrode assembly 20, and faces the catalyst layer 32, and forms a gas channel 52 that is located between the membrane electrode assembly 20 and the separator 50.
  • Have The groove (gas flow path) 82 is used for supplying the fuel gas to the catalyst layer 32.
  • the separator 55 is a cathode separator disposed on the cathode side of the membrane electrode assembly 20, and faces the catalyst layer 33 and forms a groove 57 that forms a gas flow path positioned between the membrane electrode assembly 20 and the separator 55.
  • Have The groove (gas flow path) 87 is used to supply the oxidant gas to the catalyst layer 33.
  • the polymer electrolyte membrane 30 is a porous polymer electrolyte membrane made of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer, a porous resin membrane having a sulfonic acid group, and a porous material impregnated with an electrolyte component such as phosphoric acid or ionic liquid.
  • a shaped film can be applied.
  • the perfluorocarbon sulfonic acid polymer include Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), and the like.
  • the porous film is made of polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the thickness of the polymer electrolyte membrane 30 is not particularly limited, but is preferably 5 to 300 ⁇ m, more preferably 10 to 200 ⁇ m from the viewpoint of strength, durability, and output characteristics.
  • the catalyst component used for the catalyst layer (cathode catalyst layer) 35 is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxygen reduction reaction.
  • the catalyst component used for the catalyst layer (anode catalyst layer) 34 is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxidation reaction of hydrogen.
  • catalyst components include, for example, platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum and other metals, and alloys thereof. Etc. are selected. In order to improve catalytic activity, poisoning resistance to carbon monoxide, heat resistance, etc., the catalyst component preferably contains at least platinum.
  • the catalyst components applied to the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer need not be the same, and can be changed as appropriate.
  • the conductive carrier of the catalyst used for the catalyst layers 32 and 33 is particularly limited as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and sufficient electronic conductivity as a current collector.
  • the main component is preferably carbon particles.
  • the carbon particles are composed of, for example, carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, and artificial graphite.
  • the polymer electrolyte used for the catalyst layers 32 and 33 is not particularly limited as long as it is a substance having at least high proton conductivity.
  • a fluorine-based electrolyte containing a fluorine atom in all or part of the polymer skeleton or a polymer A hydrocarbon-based electrolyte that does not contain a fluorine atom in the skeleton is applicable.
  • the polymer electrolyte used for the catalyst layers 32 and 33 may be the same as or different from the polymer electrolyte used for the polymer electrolyte membrane 30, but the catalyst layers 32 and 33 adhere to the polymer electrolyte membrane 30. From the viewpoint of improving the properties, it is preferable that they are the same.
  • the gas diffusion layers 35 and 36 are configured by using, as a base material, a sheet-like material having conductivity and porosity such as a carbon woven fabric such as glassy carbon, a paper-like paper body, a felt, and a nonwoven fabric.
  • the thickness of the substrate is not particularly limited, but is preferably 30 to 500 ⁇ m from the viewpoint of mechanical strength and permeability such as gas and water.
  • the gas diffusion layers 35 and 36 preferably contain a water repellent in the base material from the viewpoint of water repellency and suppression of the flooding phenomenon.
  • water repellent examples include fluorine-based polymer materials such as PTFE, PVDF, polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polypropylene, and polyethylene.
  • fluorine-based polymer materials such as PTFE, PVDF, polyhexafluoropropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polypropylene, and polyethylene.
  • the gaskets 40 and 45 are made of, for example, a rubber material, a fluorine-based polymer material, or a thermoplastic resin.
  • the rubber material include fluorine rubber, silicon rubber, ethylene propylene rubber (EPDM), and polyisobutylene rubber.
  • the fluorine-based polymer material include PTFE, PVDF, polyhexafluoropropylene, and FEP.
  • the thermoplastic resin is polyolefin or polyester.
  • the polyester is, for example, polyethylene naphthalate (PEN).
  • the thickness of the gaskets 40 and 45 is not particularly limited, but is preferably 50 ⁇ m to 2 mm, and more preferably 100 ⁇ m to 1 mm.
  • the separators 50 and 55 are not limited to the form made of stainless steel, and other metal materials (for example, aluminum and clad material) and carbon such as dense carbon graphite can also be applied.
  • the groove parts 52 and 72 can be formed by cutting, for example.
  • FIG. 3 is a side view for explaining a fuel cell electrolyte membrane gripping device according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 4, 5 and 6 are for explaining a support shown in FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining the groove portion shown in FIG. 5.
  • a gripping device 60 shown in FIG. 3 is used to dispose the gaskets 40 and 45 on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 20, and includes a support 65, a transport device 80, an air suction unit 85, and a clogging detection device 90. .
  • the support 65 has a flat portion 70 that adsorbs the polymer electrolyte membrane 30 on which the catalyst layers 32 and 33 are arranged.
  • the plane part 70 has a groove part 72 connected to the air suction part 85.
  • the polymer electrolyte membrane 30 adsorbed on the flat portion 70 can be applied in a form in which a catalyst layer is disposed only on one surface.
  • the groove portion 72 has a downward U-shaped cross section (see FIG. 7), has a frame shape having straight portions 73A to 73D and bent portions 74A to 74D, and the catalyst layer 32 disposed on the polymer electrolyte membrane 30. , 33 are aligned outside the outer peripheral edge. Therefore, the outer peripheral edge 31 of the polymer electrolyte membrane 30 is adsorbed by sucking the air in the groove 72.
  • the transfer device 80 (see FIG. 3) is composed of, for example, a multi-axis robot hand, and the outer peripheral edge 31 of the polymer electrolyte membrane 30 on which the catalyst layers 32 and 33 are arranged is laminated on the gasket 40 (45).
  • the gasket 40 (45) is used, for example, to convey the support body 65, and is disposed on the flat portion 96 of the fixed mounting table 95, for example.
  • the polymer electrolyte membrane 30 can be easily positioned as compared with the configuration in which the mounting table 95 moves.
  • the flat portion 96 is made of, for example, a porous member, and is connected to an external vacuum source (not shown) so as to suck the gasket 40 (45).
  • the polymer electrolyte membrane 30 laminated on the gasket 40 is then inverted and laminated to obtain the polymer electrolyte membrane 30 in which the gaskets 40 and 45 are arranged on both sides of the outer peripheral portion.
  • the groove 72 is frame-shaped and is positioned outside the outer peripheral edges of the catalyst layers 32 and 33, so that the catalyst layers 32 and 33 are not directly sucked, and are temporarily separated from the catalyst layer. Even if the catalyst particles are sucked, the polymer electrolyte membrane 30 is not adsorbed by the suction holes as compared with a mode using a porous substrate (adsorption holes) that may cause clogging in many suction holes. Occurrence is suppressed, and a reduction in production efficiency is prevented. Therefore, it is possible to provide a fuel cell electrolyte membrane gripping device capable of exhibiting good production efficiency.
  • suction by the groove portion 72 is preferable in that production efficiency can be improved because release of the suction pressure proceeds instantaneously as compared to suction through a porous substrate having a large number of suction holes. Further, even if contamination occurs by sucking fine particles floating in the atmosphere or fine particles adhering to the polymer electrolyte membrane 30, occurrence of clogging is similarly suppressed.
  • the conveying device 80 is not limited to a form using a multi-axis robot hand, and may be configured by combining a plurality of linear actuators, for example.
  • the drive source is preferably a servo motor having good controllability and electrically synchronously controlled.
  • the transport device 80 can be omitted.
  • the mounting table 95 is transported by the transport device provided on the mounting table 95 toward the polymer electrolyte membrane 30 adsorbed to the support 65 arranged in a fixed manner.
  • the mounting table 95 is positioned so that the outer peripheral edge 31 of the polymer electrolyte membrane 30 is laminated on the gasket 40 (45) disposed in 96.
  • the air suction part 85 has a manifold 86 and a piping system 87 as shown in FIGS.
  • the manifold 86 is constituted by, for example, a suction valve, is positioned at the bent portion 74 ⁇ / b> A of the groove portion 72, and communicates with the groove portion 72.
  • the manifold 86 can be easily connected.
  • the manifold 86 air suction part 85
  • the groove 72 is frame-shaped, the manifold 86 (air suction part 85) is disposed in the bent part 74A of the groove 72, so that the resistance during air suction is reduced and the gasket 40 (45) is adsorbed.
  • the pressure fluctuation at the time the generation of wrinkles in the polymer electrolyte membrane 30 is further suppressed.
  • the clogging detection device 90 has differential pressure gauges 91 and 92 as clearly shown in FIG.
  • the differential pressure gauges 91 and 92 are, for example, of an elastic element type, and are used to detect pressure when air is sucked by the air suction part 85 (manifold 86 and piping system 87).
  • the differential pressure gauge 91 is disposed on the manifold 86, and the differential pressure gauge 92 is disposed on the bent portion 74 ⁇ / b> C located on the diagonal line of the differential pressure gauge 91.
  • the groove part 72 Since the groove part 72 is frame-shaped, the places where clogging is likely to occur are the bent parts 74B and 74D. However, when one of the bent portions 74B and 74D is clogged, the other flow path of the bent portions 74B and 74D functions as a detour, so that adsorption failure (gripping failure) of the polymer electrolyte membrane 30 is suppressed. In addition, when clogging occurs in both of the bent portions 74B and 74D, the differential pressure gauges 91 and 92 can be detected early and quickly.
  • a pressure detection device corresponding to the number of suction holes is required to detect clogging in units of suction holes. If the size of the molecular electrolyte membrane 30 is taken into consideration, the installation is impossible, and even if it is installed, the apparatus becomes complicated and the maintenance management becomes complicated. Further, when clogging of a large number of suction holes is detected at once by the pressure detection device provided in the upstream portion of the manifold, there is a possibility that partial clogging cannot be detected appropriately.
  • the air suction line according to the present embodiment is configured by the groove portion 72, and partial blockage is unlikely to occur, and an abnormality of the groove portion 72 is caused by the minimum necessary number, that is, two pressure detection devices. This is preferable in that it does not miss a malfunction due to clogging of the groove 72.
  • the suction force (gripping force) of the support 65, which is a gripping jig, with respect to the polymer electrolyte membrane 30 is preferably smaller than the deformation stress of the polymer electrolyte membrane 30, and a plurality of grooves may be provided.
  • the stress due to suction in one groove is preferably smaller than the deformation stress in the groove inward direction of the polymer electrolyte membrane 30.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining Modification Example 1 according to the embodiment of the present invention.
  • the support 65 is preferably formed of a material that transmits light, as shown in FIG.
  • the material that transmits light is, for example, an acrylic resin.
  • the state of the groove 72, the polymer electrolyte membrane 30, and the catalyst layers 32 and 33 can be optically detected. Therefore, for example, by visually observing the state (adsorption state) of the outer peripheral edge 31 of the polymer electrolyte membrane 30, the clogged portion can be easily identified. Further, for example, when the outer peripheral edge 31 of the polymer electrolyte membrane 30 is placed on the frame-shaped gasket 40 (45), the polymer electrolyte membrane 30, the catalyst layers 32 and 33, and the gasket 40 (45) are visually observed. Since the position can be confirmed, it is not necessary to perform positioning by relying on the operator's can and reliability is improved. Furthermore, for example, since the position can be confirmed using an infrared sensor, it is easy to automate equipment (use as an element of production equipment) by work of a robot or the like.
  • FIG. 9 and FIG. 10 are a bottom view and a cross-sectional view for explaining a second modification according to the embodiment of the present invention.
  • a recess 76 is disposed on the flat portion 70 of the support 65. It is preferable to do.
  • the concave portion 76 has a substantially rectangular shape corresponding to the planar shape of the catalyst layers 32 and 33, and the depth thereof substantially matches the thickness of the catalyst layers 32 and 33, and is not intended for the polymer electrolyte membrane 30. It is set so that no distortion occurs.
  • a frame-shaped portion 77 is disposed around the recess 76.
  • the frame portion 77 is provided with a groove portion 72 and constitutes an adsorption surface of the outer peripheral edge 31 of the polymer electrolyte membrane 30.
  • the concave portion 76 may be provided with a through-hole 76A in order to allow the atmosphere to escape when the polymer electrolyte membrane 30 of the support body 65, which is a holding jig, is brought close to the gasket.
  • the manifold 86 is preferably provided so as not to interfere with the recess 76.
  • FIG. 11 is a bottom view for explaining the third modification according to the embodiment of the present invention.
  • the bent portions 74A to 74D of the groove portion 72 are not limited to a substantially right-angled shape, and may be a curved surface shape that is gently bent. In this case, the air flow in the bent portions 74A to 74D becomes smooth, and the resistance during air suction is reduced.
  • FIG. 12 is a side view for explaining the modified example 4 according to the embodiment of the present invention.
  • the electrolyte membrane 30 is not limited to a form of being supported downward, and the electrolyte membrane 30 is disposed (placed) on the flat portion 70 of the fixed support 65A as in the gripping device 60A shown in FIG. ) Is also possible.
  • the gasket 40 (45) is adsorbed by the flat portion 96A of the support body 95A disposed above, so that the gasket 40 (45) is supported downward and conveyed by the conveyance device 80A connected to the support body 95A. It is positioned so as to be laminated on the outer peripheral edge 31 of the electrolyte membrane 30.
  • the electrolyte membrane is adsorbed by the groove portion disposed in the flat portion of the support, and thus wrinkles are prevented from occurring in the polymer electrolyte membrane. Furthermore, since the groove is frame-shaped and aligned outside the outer peripheral edge of the catalyst layer, the catalyst layer is not directly sucked, the occurrence of clogging is suppressed, and the reduction in production efficiency is suppressed. I can do it. Therefore, it is possible to provide a fuel cell electrolyte membrane gripping device capable of exhibiting good production efficiency.
  • the groove is frame-shaped, the manifold (air suction part) is located at the bent part of the groove, so the resistance during air suction is reduced and the pressure fluctuation when adsorbing the polymer electrolyte membrane is reduced. Thus, the generation of wrinkles in the polymer electrolyte membrane is further suppressed.
  • the support When the support is formed from a material that transmits light, the state of the groove, the polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer can be detected optically. Therefore, for example, the clogged portion can be easily identified by visually observing the state of the outer periphery of the polymer electrolyte membrane (adsorption state). Further, for example, when the outer periphery of the polymer electrolyte membrane is placed on a frame-shaped gasket, the positions of the polymer electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gasket can be confirmed by visual observation. Reliable positioning is unnecessary and reliability is improved. Furthermore, for example, since the position can be confirmed using an infrared sensor, it is easy to automate equipment (use as an element of production equipment) by work of a robot or the like.
  • the manifold air suction part
  • the fuel cell can be constituted by a polymer electrolyte fuel cell using methanol as a fuel, or can be applied as a stationary power source.
  • the polymer electrolyte fuel cell using methanol as a fuel is a direct methanol fuel cell (DMFC) or a micro fuel cell (passive DMFC)).
  • DMFC direct methanol fuel cell
  • passive DMFC micro fuel cell
  • fuels other than hydrogen and methanol ethanol, 1-propanol, 2-propanol, primary butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol, etc. can be applied. It is.
  • the number of manifolds for communicating with the grooves and sucking air is not limited to one, and a plurality of manifolds may be arranged. Moreover, it is also possible to make a groove part into a double structure. Further, the first to third modifications can be combined with the fourth modification.

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Abstract

【課題】良好な生産効率を発揮し得る燃料電池用電解質膜の把持装置を提供する。 【解決手段】膜電極接合体を構成する、触媒層３２，３３が配置された電解質膜３０を支持する平面部７０を有する支持体６５を備えた燃料電池用電解質膜の把持装置６０である。平面部７０は、触媒層３２，３３の外周縁の外側に位置合わせされた枠状の溝部を有し、溝部は、空気吸引部８５と接続されており、溝部の空気が吸引されることで電解質膜３０を吸着する。

Description

燃料電池用電解質膜の把持装置
　本発明は、燃料電池用電解質膜の把持装置に関する。
　燃料電池の単セルに含まれる膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、電解質膜、触媒層、ガス拡散層および枠状のガスケットを有する。ガスケットは、電解質膜の両面に配置（積層）され、触媒層を包囲するように位置決めされており、触媒層に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。
　電解質膜のハンドリングの際、多数の吸着孔が形成された支持体に電解質膜を吸着することで、電解質膜にしわが発生することを防止している（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０１０－２３８６５５号公報
　しかし、電解質膜には触媒層が配置されているため、電解質膜を吸着する際、触媒層から分離した触媒粒子を吸引することによりコンタミネイションを生じ、多数の吸着孔に目詰まりを生じる虞がある。その結果、生産効率が低下する問題を有する。
　本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な生産効率を発揮し得る燃料電池用電解質膜の把持装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するための本発明は、膜電極接合体を構成する、触媒層が配置された電解質膜を支持する平面部を有する支持体を備えた燃料電池用電解質膜の把持装置である。前記平面部は、前記触媒層の外周縁の外側に位置合わせされた枠状の溝部を有し、前記溝部は、空気吸引部と接続されており、前記溝部の空気が吸引されることで前記電解質膜を吸着する。
　本発明によれば、電解質膜は、支持体の平面部に配置された溝部に吸着されるため、電解質膜にしわが発生することが防止される。さらに、溝部は、枠状でありかつ触媒層の外周縁の外側に位置合わせされているため、触媒層を直接吸引することはなく、目詰まりの発生が抑制され、生産効率の低下を抑制することが出来る。したがって、良好な生産効率を発揮し得る燃料電池用電解質膜の把持装置を提供することが可能である。
　本発明のさらに他の目的、特徴および特質は、以後の説明および添付図面に例示される好ましい実施の形態を参照することによって、明らかになるであろう。
本発明の実施の形態に係る燃料電池のセル構造を説明するための断面図である。 図１に示される膜電極接合体の外周部の両面に配置されるガスケットを説明するための平面図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池用電解質膜の把持装置を説明するための側面図である。 図３に示される支持体を説明するための平面図である。 図３に示される支持体を説明するための底面図である。 図３に示される支持体を説明するための断面図である。 図５に示される溝部を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例１を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例２を説明するための底面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例２を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例３を説明するための底面図である。 本発明の実施の形態に係る変形例４を説明するための側面図である。
　以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
　図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池のセル構造を説明するための断面図、図２は、図１に示される膜電極接合体の外周部の両面に配置されるガスケットを説明するための平面図である。
　図１に示される単セル１０は、例えば、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）に適用され、膜電極接合体２０およびセパレータ５０，５５を有する。単セル１０は、スタックして使用する場合、冷却板５８をさらに有し、冷却板５８に設けられた溝部５９によって、単セル１０を冷却するための冷媒が流通する冷媒流路が構成される。
　膜電極接合体２０は、高分子電解質膜３０、触媒層３２，３３、ガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｌａｙｅｒ）３５，３６およびガスケット４０，４５を有する。
　触媒層３２は、触媒成分と、触媒成分を担持する導電性の触媒担体と、高分子電解質とを含んでおり、水素の酸化反応が進行するアノード触媒層であり、高分子電解質膜３０の一方の側に配置される。触媒層３３は、触媒成分と、触媒成分を担持する導電性の触媒担体と、高分子電解質とを含んでおり、酸素の還元反応が進行するカソード触媒層であり、高分子電解質膜３０の他方の側に配置される。
　高分子電解質膜３０は、触媒層３２で生成したプロトンを触媒層３３へ選択的に透過させる機能、およびアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。
　ガス拡散層３５は、アノード側に供給される燃料ガスを分散させるためのアノードガス拡散層であり、セパレータ５０と触媒層３２との間に位置している。ガス拡散層３６は、カソード側に供給される酸化剤ガスを分散させるためのカソードガス拡散層であり、セパレータ５５と触媒層３３との間に位置している。
　ガスケット４０，４５は、図２に示されるように、枠状であり、高分子電解質膜３０の外周部の両面に配置される。ガスケット４０は、触媒層３２を包囲するように位置決めされており、触媒層３２に供給される燃料ガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。ガスケット４５は、触媒層３３を包囲するように位置決めされており、触媒層３３に供給される酸化剤ガスが外部にリークするのを防止する機能を有する。
　セパレータ５０，５５は、単セル１０を電気的に直列接続する機能、および燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を互いに遮断する隔壁としての機能を有し、膜電極接合体２０と略同一形状であり、例えば、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことで形成される。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。
　セパレータ５０は、膜電極接合体２０のアノード側に配置されるアノードセパレータであり、触媒層３２に相対し、膜電極接合体２０とセパレータ５０との間に位置するガス流路を構成する溝部５２を有する。溝部（ガス流路）８２は、燃料ガスを触媒層３２に供給するために利用される。
　セパレータ５５は、膜電極接合体２０のカソード側に配置されるカソードセパレータであり、触媒層３３に相対し、膜電極接合体２０とセパレータ５５との間に位置するガス流路を構成する溝部５７を有する。溝部（ガス流路）８７は、酸化剤ガスを触媒層３３に供給するために利用される。
　次に、各構成部材の材質およびサイズ等について詳述する。
　高分子電解質膜３０は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン株式会社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等である。多孔質状の膜は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から形成される。
　高分子電解質膜３０の厚みは、特に限定されないが、強度、耐久性および出力特性の観点から５～３００μｍが好ましく、より好ましくは１０～２００μｍである。
　触媒層（カソード触媒層）３５に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。触媒層（アノード触媒層）３４に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。
　具体的な触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、触媒成分は、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード触媒層およびアノード触媒層に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜変更することが可能である。
　触媒層３２，３３に用いられる触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。
　触媒層３２，３３に用いられる高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する物質であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。触媒層３２，３３に用いられる高分子電解質は、高分子電解質膜３０に用いられる高分子電解質と同一であっても異なっていてもよいが、高分子電解質膜３０に対する触媒層３２，３３の密着性を向上させる観点から、同一であることが好ましい。
　ガス拡散層３５，３６は、例えば、グラッシーカーボン等の炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を、基材として構成される。基材の厚さは、特に限定されないが、機械的強度およびガスや水などの透過性の観点から、３０～５００μｍが好ましい。ガス拡散層３５，３６は、撥水性およびフラッディング現象の抑制の観点から、基材に撥水剤を含ませることが好ましい。撥水剤は、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。
　ガスケット４０，４５は、例えば、ゴム材料、フッ素系の高分子材料、熱可塑性樹脂から構成される。ゴム材料は、フッ素ゴム、シリコンゴム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリイソブチレンゴムなどである。フッ素系の高分子材料は、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、ＦＥＰなどである。熱可塑性樹脂は、ポリオレフィンやポリエステルである。ポリエステルは、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）である。ガスケット４０，４５の厚さは、特に限定されないが、好ましくは５０μｍ～２ｍｍであり、より好ましくは１００μｍ～１ｍｍである。
　セパレータ５０，５５は、ステンレス鋼から構成する形態に限定されず、その他の金属材料（例えば、アルミニウムやクラッド材）、緻密カーボングラファイトなどのカーボンを適用することも可能である。カーボンを適用する場合、溝部５２，７２は、例えば、切削加工によって形成することが可能である。
　次に、膜電極接合体２０をハンドリングするために適用される把持装置を説明する。
　図３は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用電解質膜の把持装置を説明するための側面図、図４、図５よび図６は、図３に示される支持体を説明するための平面図、底面図および断面図、図７は、図５に示される溝部を説明するための断面図である。
　図３に示される把持装置６０は、高分子電解質膜２０の両面にガスケット４０，４５を配置するために使用され、支持体６５、搬送装置８０、空気吸引部８５および目詰まり検出装置９０を有する。
　支持体６５は、図５に示されるように、触媒層３２，３３が配置された高分子電解質膜３０を吸着する平面部７０を有する。平面部７０は、空気吸引部８５に接続されている溝部７２を有する。なお、平面部７０に吸着される高分子電解質膜３０は、一方の面のみに触媒層が配置された形態を適用することも可能である。
　溝部７２は、下向きコ字状断面（図７参照）を有し、直線状部７３Ａ～７３Ｄと曲折部７４Ａ～７４Ｄとを有する枠状であり、高分子電解質膜３０に配置される触媒層３２，３３の外周縁の外側に位置合わせされている。したがって、溝部７２の空気が吸引されることで、高分子電解質膜３０の外周縁３１が吸着される。
　搬送装置８０（図３参照）は、例えば、多軸のロボットハンドからなり、触媒層３２，３３が配置された高分子電解質膜３０の外周縁３１を、ガスケット４０（４５）に積層するように、支持体６５を搬送するために使用され、ガスケット４０（４５）は、例えば、固定式の載置台９５の平面部９６に配置される。この場合、載置台９５が移動する構成に比べ、高分子電解質膜３０の位置決めが容易となる。平面部９６は、例えば、多孔質部材から構成され、また、外部の真空源（不図示）に連結されており、ガスケット４０（４５）を吸引可能に構成される。
　ガスケット４０に積層された高分子電解質膜３０は、その後、反転され、積層されることで、外周部の両面にガスケット４０，４５が配置された高分子電解質膜３０が得られることになる。
　高分子電解質膜３０は、上述のように、支持体６５の平面部７０に配置された溝部７２に吸着されるため、高分子電解質膜３０にしわが発生することが防止される。また、溝部７２は、枠状であり、触媒層３２，３３の外周縁の外側に位置合わせされているため、触媒層３２，３３を直接吸引することはなく、また、仮に、触媒層から分離した触媒粒子を吸引したとしても、多数の吸引孔に目詰まりが生じる恐れがある多孔質基体（吸着孔）を利用する形態と比べ、吸引孔で高分子電解質膜３０を吸着しないので目詰まりの発生が抑制され、生産効率の低下が防がれる。したがって、良好な生産効率を発揮し得る燃料電池用電解質膜の把持装置を提供することが可能である。
　なお、溝部７２による吸引は、多数の吸引孔を有する多孔質基体を介して吸引する場合に比べ、吸引圧の開放が瞬時に進行するため、生産効率を向上させ得る点でも好ましい。また、雰囲気中に浮遊している微粒子や、高分子電解質膜３０に付着した微粒子等を吸引することにより、コンタミネイションが生じたとしても、同様に目詰まりの発生が抑制される。
　搬送装置８０は、多軸のロボットハンドを利用する形態に限定されず、例えば、リニアアクチュエータを複数組み合わせて構成することも可能である。この場合、駆動源は、良好な制御性を有し、電気的に同期制御されるサーボモータが好ましい。また、載置台９５に搬送装置を設けることにより、搬送装置８０を省略することも可能である。この場合、載置台９５に設けられた搬送装置によって、固定式に配置された支持体６５に吸着されている高分子電解質膜３０に向かって、載置台９５が搬送され、載置台９５の平面部９６に配置されたガスケット４０（４５）に、高分子電解質膜３０の外周縁３１が積層されるように、載置台９５が位置決めされる。
　空気吸引部８５は、図４～６に示されるように、マニホールド８６および配管系８７を有する。マニホールド８６は、例えば、吸引バルブから構成され、溝部７２の曲折部７４Ａに位置決めされ、溝部７２に連通している。
　溝部７２の断面形状は、下向きコ字状（図７参照）であるため、マニホールド８６を容易に接続することが可能である。
　また、溝部７２は枠状であるが、マニホールド８６（空気吸引部８５）が溝部７２の曲折部７４Ａに配置されているため、空気吸引時の抵抗が小さくなり、ガスケット４０（４５）を吸着する時の圧力変動が減少することで、高分子電解質膜３０のしわ発生が、さらに抑制される。
　目詰まり検出装置９０は、図６に明確に示されるように、差圧計９１，９２を有する。差圧計９１，９２は、例えば、弾性素子型であり、空気吸引部８５（マニホールド８６および配管系８７）によって空気を吸引する際の圧力を検出するために使用される。差圧計９１は、マニホールド８６上に配置され、差圧計９２は、差圧計９１の対角線上に位置する曲折部７４Ｃ上に配置される。
　したがって、空気の流路に部分的な詰まりが生じている場合、圧力変動の際に閉塞部位での圧力損失が起こり、圧力変動に対して応答が遅延するため、差圧計９１，９２の検出値が不均一になる時間帯が生じる。つまり、差圧計９１，９２の検出値に基づいて、溝部７２の目詰まりにより生じる圧力変化を検出することができるため、溝部７２の目詰まりを早期に発見することが可能である。
　例えば、吸引開始時において、差圧計９１，９２の両者に差圧が発生していない場合は、正常であって目詰まりは生じておらず、差圧計９１のみ差圧がある場合は、マニホールド８６に目詰まりが生じていることが判別される。高分子電解質膜３０を吸引して把持している時期において、差圧計９１，９２の両者に差圧が発生している場合は、正常であり、差圧計９１のみ差圧がある場合は、溝部７２に目詰まりが生じていることが判別される。高分子電解質膜３０の吸引を停止して開放し、高分子電解質膜３０を積層して貼付する際において、差圧計９１，９２の両者に差圧が発生していない場合は、正常であって目詰まりは生じておらず、差圧計９１に差圧がある場合は、溝部７２に目詰まりが生じており、また、差圧計９２に差圧がある場合は、マニホールド８６に目詰まりが生じていることが判別される。
　溝部７２は、枠状であるため、目詰まりが生じ易い場所は、曲折部７４Ｂ，７４Ｄである。しかし、曲折部７４Ｂ，７４Ｄの一方に目詰まりが生じた場合、曲折部７４Ｂ，７４Ｄの他方の流路が迂回路として機能するため、高分子電解質膜３０の吸着不良（把持不良）が抑制され、また、曲折部７４Ｂ，７４Ｄの両者に目詰まりが生じた場合は、差圧計９１，９２によって早期かつ迅速に発見することが可能である。
　多数の吸引孔を有する多孔質基体（吸着孔）を利用する形態においては、吸引孔単位で目詰まりを検出するためには、吸引孔の個数に対応する圧力検出装置が必要となるが、高分子電解質膜３０のサイズを考慮すれば、設置が不可能であり、また、仮に設置したとしても、装置が複雑化し、維持管理が煩雑となる。また、マニホールドの上流部に設けられた圧力検出装置によって、多数の吸引孔の目詰まりを一括して検出する場合、部分的な目詰まりを適切に検出できない虞がある。一方、本実施の形態に係る空気の吸引ラインは、溝部７２によって構成されており、部分的な閉塞が起こり難く、かつ、必要最小限の個数つまり２個の圧力検出装置によって、溝部７２の異常を検出できる構成になっており、溝部７２の詰まりによる動作不良を見逃さない点で、好ましい。また、把持治具である支持体６５の高分子電解質膜３０に対する吸引力（把持力）は、高分子電解質膜３０の変形応力より小さいことが望ましく、複数の溝部を設けても良いが、少なくとも１つの溝部での吸引による応力は、高分子電解質膜３０の溝部内方向への変形応力より小さいことが望ましい。
　図８は、本発明の実施の形態に係る変形例１を説明するための断面図である。
　支持体６５は、図８に示されるように、光を透過する材料から形成されることが好ましい。光を透過する材料は、例えば、アクリル樹脂である。
　この場合、溝部７２、高分子電解質膜３０および触媒層３２，３３の状態を、光学的に検出することが可能である。そのため、例えば、目視によって、高分子電解質膜３０の外周縁３１の状態（吸着の状況）を観察することで、目詰まり箇所を容易に特定することができる。また、例えば、高分子電解質膜３０の外周縁３１を、枠状のガスケット４０（４５）に載置する際、目視によって、高分子電解質膜３０、触媒層３２，３３およびガスケット４０（４５）の位置を確認することができるため、作業者のカンに頼って位置決めすることが不要であり、信頼性が向上する。さらに、例えば、赤外線センサーを利用して位置が確認できるため、ロボット等の作業による設備の自動化（生産設備の要素として利用）が容易となる。
　図９および図１０は、本発明の実施の形態に係る変形例２を説明するための底面図および断面図である。
　高分子電解質膜３０に配置されている触媒層３３から分離した触媒粒子のコンタミネイションを抑制するため、図９および図１０に示されるように、支持体６５の平面部７０に、凹部７６を配置することが好ましい。
　凹部７６は、触媒層３２，３３の平面形状に対応する略矩形形状を有し、その深さは、触媒層３２，３３の厚みと略一致しており、高分子電解質膜３０に意図せぬひずみが生じないように設定される。凹部７６の周囲には、枠状部７７が配置されている。枠状部７７は、溝部７２が配置されており、高分子電解質膜３０の外周縁３１の吸着面を構成している。凹部７６は、把持治具である支持体６５の高分子電解質膜３０をガスケットに接するように近づける際に大気を逃がすために、貫通孔７６Ａが設けられていてもよい。
　凹部７６は、溝部７２と触媒層３３との間に段差を生じさせるため、触媒層３３から分離した触媒粒子が溝部７２へ移動することが困難となり、触媒粒子による目詰まりの発生が抑制される。なお、マニホールド８６は、凹部７６に対して干渉しないように設けることが好ましい。
　図１１は、本発明の実施の形態に係る変形例３を説明するための底面図である。
　溝部７２の曲折部７４Ａ～７４Ｄは、略直角形状に限定されず、なだらかに屈曲した曲面形状とすることも可能である。この場合、曲折部７４Ａ～７４Ｄにおける空気の流れがスムーズとなり、空気吸引時の抵抗が小さくなる。
　図１２は、本発明の実施の形態に係る変形例４を説明するための側面図である。
　電解質膜３０は、下向きに支持される形態に限定されず、図１２に示される把持装置６０Ａのように、固定式の支持体６５Ａの平面部７０に、電解質膜３０を上向きに配置（載置）することも可能である。この場合、ガスケット４０（４５）は、上方に配置される支持体９５Ａの平面部９６Ａに吸着されることで、下向きに支持され、支持体９５Ａに連結された搬送装置８０Ａによって搬送され、高分子電解質膜３０の外周縁３１に積層されるように、位置決めされる。
　以上のように、本発明の実施の形態においては、電解質膜は、支持体の平面部に配置された溝部に吸着されるため、高分子電解質膜にしわが発生することが防止される。さらに、溝部は、枠状でありかつ触媒層の外周縁の外側に位置合わせされているため、触媒層を直接吸引することはなく、目詰まりの発生が抑制され、生産効率の低下を抑制することが出来る。したがって、良好な生産効率を発揮し得る燃料電池用電解質膜の把持装置を提供することが可能である。
　溝部は枠状であるが、マニホールド（空気吸引部）が溝部の曲折部に配置されているため、空気吸引時の抵抗が小さくなり、高分子電解質膜を吸着する時の圧力変動が減少することで、高分子電解質膜のしわ発生が、さらに抑制される。
　支持体が光を透過する材料から形成される場合、溝部、高分子電解質膜および触媒層の状態を、光学的に検出することが可能である。そのため、例えば、目視によって、高分子電解質膜の外周縁の状態（吸着の状況）を観察することで、目詰まり箇所を容易に特定することができる。また、例えば、高分子電解質膜の外周縁を、枠状のガスケットに載置する際、目視によって、高分子電解質膜、触媒層およびガスケットの位置を確認することができるため、作業者のカンに頼って位置決めすることが不要であり、信頼性が向上する。さらに、例えば、赤外線センサーを利用して位置が確認できるため、ロボット等の作業による設備の自動化（生産設備の要素として利用）が容易となる。
　空気を吸引する際の圧力を検出する検出装置を有する場合、溝部の目詰まりにより生じる圧力変化を検出することができるため、溝部の目詰まりを早期に発見することが可能である。
　溝部の断面形状を、コ字状とする場合、マニホールド（空気吸引部）を容易に接続することが可能である。
　支持体を搬送する搬送装置を有する場合、ガスケットが配置される平面部を有する載置台を搬送する場合に比べ、高分子電解質膜の位置決めが容易となる。
　本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。例えば、燃料電池は、メタノールを燃料とする固体高分子形燃料電池によって構成したり、定置用電源として適用したりすることも可能である。メタノールを燃料とする固体高分子形燃料電池は、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）やマイクロ燃料電池（パッシブ型ＤＭＦＣ））等である。水素やメタノール以外の燃料としては、エタノール、１－プロパノール、２－プロパノール、第１級ブタノール、第２級ブタノール、第３級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどを適用することも可能である。
　溝部に連通して空気を吸引するためのマニホールドの数は１つに限定されず、複数配置することも可能である。また、溝部を２重構造とすることも可能である。さらに、変形例４に、変形例１～３を組み合わせることも可能である。
　本出願は、２０１２年７月１０日に出願された日本特許出願番号２０１２－１５４９５８号に基づいており、それらの開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。
１０　単セル、
２０　膜電極接合体、
３０　高分子電解質膜、
３１　外周縁、
３２，３３　触媒層、
３５，３６　ガス拡散層、
４０，４５　ガスケット、
５０，５５　セパレータ、
５２，５７　溝部、
５８　冷却板、
５９　溝部、
６０，６０Ａ　把持装置、
６５，６５Ａ　支持体、
７０　平面部、
７２　溝部、
７３Ａ～７３Ｄ　直線状部、
７４Ａ～７４Ｄ　曲折部、
７６　凹部、
７６Ａ　貫通孔、
７７　枠状部、
８０，８０Ａ　搬送装置、
８５　空気吸引部、
８６　マニホールド、
８７　配管系、
９０　目詰まり検出装置、
９１，９２　差圧計、
９５　載置台、
９５Ａ　支持体、
９６，９６Ａ　平面部。

Claims (6)

  1. 　膜電極接合体を構成する、触媒層が配置された電解質膜を支持する平面部を有する支持体を有し、
    　前記平面部は、前記触媒層の外周縁の外側に位置合わせされた枠状の溝部を有し、
    　前記溝部は、空気吸引部と接続されており、前記溝部の空気が吸引されることで前記電解質膜を吸着する、燃料電池用電解質膜の把持装置。
  2. 　前記溝は、前記空気吸引部が接続される曲折部を有する請求項１に記載の燃料電池用電解質膜の把持装置。
  3. 　前記支持体は、光を透過する材質から形成される請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用電解質膜の把持装置。
  4. 　前記空気吸引部によって空気を吸引する際の圧力を検出する検出装置を、さらに有する請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池用電解質膜の把持装置。
  5. 　前記溝部の断面形状は、コ字状である請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池用電解質膜の把持装置。
  6. 　前記電解質膜の外周縁を、枠状のガスケットに積層するように、前記支持体を搬送する搬送装置を、さらに有する請求項１～５いずれか１項に記載の燃料電池用ガスケットの把持装置。
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